4D-Druck mit Holzwerkstoffen für Architekturanwendungen

In „DESIGNING FOR SHAPE CHANGE: A Case study on 3D Printing Composite Materials for Responsive Architectures“, zeigen Elena Vazquez, Benay Gursoy und Jose Duarte Details zum Anpassen von Teilen, um das Verhalten beim Formänderungsverhalten zu optimieren. Die Forscher an der Pennsylvania State University befassen sich direkt mit der 4D und  eingehender mit intelligenten Materialien und der Frage, wie sie sich je nach Benutzeranforderungen und Änderungen in der Umgebung verändern können – sei es durch Temperatur, Feuchtigkeit oder andere Elemente.

Betrachtet man frühere Studien über die Fähigkeit von Gebäudesystemen, sich durch “veränderte Umweltbedingungen” zu verbessern, wurden die Autoren inspiriert und sahen sich neue Konzepte für architektonische 4D-Frameworks an. Ihre Frage und Mission bestand nicht nur darin, solche Fähigkeiten zu nutzen, sondern auch, wie sie kontrolliert werden sollten, da sie ein einzigartiges “hydroaktives architektonisches Hautsystem” bildeten, das sich als Reaktion auf Feuchtigkeit in der Luft verwandelte. Bei den Materialien handelt es sich um einen 3D-gedruckten Biokomposit auf Holzbasis. Mit benutzerdefinierten Einstellungen konnte das Team das Verhalten des Materials untersuchen und die Anmerkungen zu früheren 4D-Experimenten mit Holz vergleichen.

Zu Beginn der Fallstudie druckte das Team 3D einige Muster mit PLA, um eine Vergleichsgrundlage zu erhalten. Der nächste Satz von Experimenten umfasste die Verwendung von Laywood, einem Holzmaterial, das aus 40wt% Holzfasern besteht. Die Autoren geben an, dass mit Laywood gedruckte Muster eine Dehnungsrate von 106% bieten, wenn beträchtliche Mengen an Feuchtigkeit vorhanden sind. Aktivatoren sind sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit, wobei die Zeitdauer der Proben direkt dem Effektniveau entspricht.

Die Forscher waren sich des Effekts bewusst, den sowohl die Porosität als auch der Druckwinkel auf aktivierte Formen hatten, und erstellten 175 x 75 mm große Prototypen in Form von kombinierten Dreiecken. Sie stellten fest, dass sich Proben, die Feuchtigkeit ausgesetzt waren, ab 70 Minuten verformten.

Während des Experimentierens entdeckten die Forscher, dass sie die Porositätsniveaus ändern konnten, wodurch sie die 4D-Modelle steuern konnten. Sie konnten die Studienparameter auch verwenden, um die Transparenz in den von ihnen erstellten „Architekturoberflächen“ zu steuern. Wie viele andere Forschungsstudien zuvor bemerkt haben, wird der 3D-Druck die Herstellung komplexer Geometrien ermöglichen. In Bezug auf dieses Projekt stellen die Autoren fest, dass viele andere Materialtypen beim Erstellen des architektonischen Skin-Systems verwendet werden könnten. Die Autoren weisen auch darauf hin, dass sich Prototypen aus einem Material bei Feuchtigkeitseinwirkung vollständig verformt haben, dass die Multi-Material-Methode in der Zukunft erfolgreicher sein könnte

„In den durchgeführten Experimenten bestimmen Entwurfsentscheidungen die Wechselbeziehung zwischen der Geometrie – vom Werkzeugpfad zur Gesamtform, den 3D-Druckeinstellungen und der Zeit – als zusätzliche Dimension im Entwurfsprozess. Die Zeit stellt in dieser Studie die Formtransformation dar, und wir argumentieren, dass eine systematische Materialforschung und -berechnung uns der Kontrolle dieses dynamischen Verhaltens bei der Gestaltung von Formwechseln einen Schritt näher bringt“, folgerten die Forscher.

„Wir postulieren, dass, sobald das Verhalten der Formänderung durch systematische Materialuntersuchungen formalisiert ist, materielle Intelligenz in parametrische Computermodelle eingebettet werden kann. Dies ist ein nächster Schritt in dieser Forschung und ermöglicht es uns, Entwurfsvariationen im Computer vor der Materialisierung zu untersuchen. Es wird uns auch ermöglichen, Computersimulationen zu erstellen, um die Leistung der architektonischen Hautdesigns bei der Steuerung des Luftstroms, des Tageslichts und der Innentemperatur zu bewerten.”